Приложение на роботи в ядрени централи

Манипулатори с телеуправление се използват отдавна за провеждане на дистанционни инспекции и ремонти на места в ядрените централи, където достъпът за човек е невъзможен или забранен. Тези системи неизменно включват оператори, които дистанционно управляват роботизираното устройство с цел използване на различни инструменти и оборудване, например уреди за електродъгово заваряване, камери за инспекция, апаратура за безразрушителен контрол и др.

Ползите по отношение на използването на роботи в ядрени приложения са в две направления – редуциране на радиационната доза за оператора и подобрени експлоатационни параметри на централата.

Пример за ситуация, в която употребата на роботи е единствената алтернатива, е наличието на условия, включващи високи нива на радиация и други параметри на околната среда, които не позволяват директна човешка намеса. Това е типично за случаи по време на или след авария или в рамките на определени фази от процеса по извеждане от експлоатация. Също така използването на роботи е наложително, когато достъпът до работната зона не е възможен.

При нормален експлоатационен режим на ядрените централи ефективността на роботизираните устройства трябва да бъде сравнена с тази на други методи, например ръчна интервенция или използването на специални инструменти, предназначени за извършването на определена дейност. Използването на роботи може да носи ползи, но съществуват и някои недостатъци.

Ползите могат да бъдат групирани в три категории – икономически (намаляване на престоите на централата, редуциране на дозата, понижаване на броя на персонала и времето за интервенция), технически (подобрени надеждност, точност и качество) и такива, свързани с безопасността (понижаване на риска, присъщ за дадена задача, повишаване на работната безопасност и увеличаване на експлоатационната готовност на оборудването). Като недостатъци могат да бъдат посочени прекалено високата цена за внедряването и поддръжката на роботизираните устройства, ограниченото им приложение, необходимостта от голям брой квалифицирани оператори, недостатъчната надеждност и гъвкавост и др.

Приложения

Приложенията на роботите могат да се групират спрямо различните фази от живота на централите. Понастоящем употребата на роботизирани устройства се ограничава предимно до периода на закриване. Нормално дейностите по инспекция, поддръжка и ремонт се извършват от работници.

Интервалът, времетраенето и качеството на тези дейности се ограничават от фактори като достъпност, мощност на дозата, температура, влажност и др. Примерните приложения на роботите включват инспекция на зони, недостъпни при нормална експлоатация на централата, необходими ремонтни дейности на свързани с безопасността компоненти и устройства, боравене с горивни елементи по време на функциониране на съоръженията.

При планирани престои в много зони оборудването (компоненти под вода, заобиколени с изолация/стени) може да бъде обслужено от дистанционно управлявани системи. Днес съществуват роботи, които инспектират и поправят вътрешността на реакторните съдове, извършват външна инспекция на системите на водо-водните енергийни реактори, вътрешна инспекция на тръбопроводи и манипулират с гориво и отпадъчни материали.

В условията на инцидент се предприемат мерки за ограничаване на последствията му, предотвратяване на експозицията на населението и минимизиране на риска за работниците. Тук отново приложението на роботите се свежда основно до дейности по инспекция.

В случай на авария използването на роботи с телеуправление е от ключово значение. Това се обуславя от факта, че аварийните ситуации в ядрените централи са потенциално свързани с висока мощност на дозата в и по всяка вероятност извън сградите. Примерни приложения са овладяването на пожар, измерване на радиацията, изграждане на стени или бариери с цел ограничаване на радиоактивното излъчване, обеззаразяване на съоръженията, разглобяване на детайли, манипулиране, обезвреждане и съхранение на отпадъци.

Извеждането от експлоатация на ядрени централи включва широка гама дейности, изискващи дистанционния демонтаж на сложно оборудване при наличие на силни радиационни полета и замърсени повърхности. Типичните приложения на роботите са насочени към инспектиране и проучване за оценяване на степента на замърсяване и радиоактивност в работната зона, обеззаразяване на компоненти преди демонтаж и на контейнери за отпадъци преди транспортиране, събиране и опаковане на отпадъци.

Много от изброените приложения са подобни на тези по време на експлоатация на ядрените централи, но определени аспекти на процеса по деконтаминация са уникални – изискваното ниво на точност на позициониране обикновено е по-ниско, средата може да е силно неструктурирана, нивата на радиация и замърсяване са високи, някои дейности трябва да бъдат извършени под вода или включват химично агресивни течности или прах.
Роботи могат да се използват и във фазата на строителство на централата, като употребата им може да повлияе благоприятно върху безопасността на работниците и разходите.

Дистанционно охарактеризиране

Физичното и радиологичното охарактеризиране е важна предпоставка за планирането на дейностите по извеждане от експлоатация. Охарактеризирането е особено важно, когато наличната информация (оперативни данни, скици) е недостатъчна и неточна.

За целта са разработени различни техники за физично охарактеризиране при извеждане от експлоатация, например стандартна фотография, фотограметрия, лазерно сканиране и др. Радиологичното охарактеризиране включва определяне на замърсеността на повърхностите и радиационните дози, използване на гама камери, вземане на проби за анализ и др.

Дистанционно управляваните и роботизирани технологии, използвани за физичното и радиологичното охарактеризиране при извеждане от експлоатация, обикновено представляват сравнително малки инструменти с високи нива на гъвкавост и мобилност. Разработени са редица малки дистанционно управлявани превозни средства и роботи, които могат да пренасят необходимите за съответния процес инструменти.

Ако е необходимо, трябва да се осигури възможност за движение в хоризонтално направление, под наклон или дори вертикално, както и за маневриране през и/или около препятствия. Оборудването може да се движи автономно на база на предварително програмирани алгоритми, но най-често то се контролира от оператор. В някои специални случаи (под земята, в труднодостъпни структури, съдове или тръби) е необходимо да се използват манипулаторни ръце с голям обсег или друго специално оборудване за охарактеризиране. Обсегът на змиевидна ръка например може да достигне около 15 м, а в телескопични тръби необходимият обсег може да е до 25 м.

Изискванията за гъвкавост и мобилност на използваните за охарактеризиране превозни средства с дистанционно управление и роботи могат в значителна степен да повлияят на тяхната конструкция. Размерите им трябва да са достатъчно малки, за да позволят достъп до всяка част от проучваната зона.

Носителят трябва да се отличава с достатъчна издръжливост, даваща възможност за пренасяне на всички инструменти за охарактеризиране (например цифрова камера, радиационни детектори, инфрачервена камера, пробонабиращи сонди или уреди за измерване на концентрацията на опасни вещества). С инструментите за охарактеризиране обикновено се пренася и независима осветителна система.

Ограничените размери и полезни товари на това оборудване обикновено стесняват спектъра от приложение в други последващи дейности по извеждане от експлоатация. Това обаче не е правило и същите устройства могат да се използват например за събиране на течни и твърди радиоактивни отпадъци и впоследствие за разпространение на обеззаразяващи агенти.

Примери за роботи при извеждане от експлоатация

В световен мащаб са разработени множество мобилни роботи за цели по охарактеризиране. Например за автономното охарактеризиране на радиацията по пода на съоръжението Chicago Pile-5 (CP-5), чието извеждане от експлоатация стартира през 1991 и приключва през 2000 г., се използва специална автоматизирана система, разработена в Националната лаборатория Оук Ридж.

Мобилният робот ANDROS Mark IV е използван за охарактеризиране и инспекция на тунели на площадката в Хенфорд. Изключително гъвкавата змиевидна роботизирана ръка SAFIRE с 18 степени на свобода намира приложение за инспекции при прекъсвания на захранването в реактор с тежка вода тип CANDU, както и за охарактеризиране в процеса на извеждане от експлоатация. Разработени са и няколко превозни средства за дистанционно охарактеризиране под вода.

Друг малък мобилен робот се използва за мониторинг и задачи по охарактеризиране, например за изсмукване на утайка или отработени йонообменни смоли, както и за отстраняване на малки парчета твърди радиоактивни отпадъци. Електрически захранваният робот се състои от платформа с дистанционно управление, която пренася малка роботизирана ръка с различни накрайници (захващащи челюсти, телена примка, постоянен магнит), кутия за съхранение на проби и малки предмети, осветление и камера.

Като пример за технология с дистанционно управление, която не е превозно средство, може да се даде проучвателната система, демонстрирана отново в изследователския реактор CP-5, която пренася инструменти за охарактеризиране в тръби и въздуховоди.

За предоставяне на първоначална представа от сградите на централата Фукушима Даичи след аварията са използвани два американски робота Packbot. Първият японски робот, използван на същата площадка, е Monirobo, който е внедрен през втората седмица след аварията. Monirobo е проектиран за експлоатация при прекалено високи за хората нива на радиация. Високият 1,5 м робот се движи на чифт гъсенични вериги и е оборудван с манипулаторна ръка за премахване на препятствия и набиране на проби. Разполага с радиационен детектор, 3D камера и сензори за температура и влажност.

Друг японски робот, използван във Фукушима Даичи е Quince, разработен от учените в Технологичния институт в Чиба в партньорство с други университети. За да бъде пригоден за целта, на робота са добавени нови характеристики за радиационна защита. Той намира приложение в 6 мисии в периода между 24 юни и 20 октомври 2011 г. Първата мярка за адаптация с цел предпазване на робота от екстремните нива на радиация е поставянето на оловен капак с дебелина 13 мм, който да защити контролера на Quince. Това увеличава теглото му от 21 на 47 кг.

Освен това е необходимо да се измисли и начин за дистанционно управление, тъй като съществуващата безжична система на робота не би работила нормално в укрепените сгради на реактора. За свързване на Quince с инженерите, които го управляват, се използва 450-метров кабел, което поражда нови проблеми, тъй като кабелът може да се скъса при движението на робота между или върху отломки. Той трябва и да се прибира автоматично, за да се предотврати рискът самият робот да повреди кабела.

Quince има някои предимства в сравнение с роботите Packbot – прави по-висококачествени снимки и се представя по-добре при навигиране по стълби. Quince може лесно да бъде препрограмиран, когато работниците подадат нови спецификации, тъй като няма технология за конфиденциална защита за разлика от роботите Packbot. Когато кабелът му се скъсва през октомври 2012 г. обаче, роботът засяда в сградата на реактор 2.

Роботи с общо предназначение като Remotec ANDROS или Rovtech Scarab, могат да се ползват за редица различни задачи. Те могат да навигират в неструктурирани среди, имат ефективна зрителна система и механична ръка, позволяваща извършването на широк спектър от дейности. Първите роботи, изпратени в Чернобил, се провалят поради липсата на устойчиви на радиацията интегрални схеми или защото кабелите им се заплитат в отломките. Тогавашният Съветски съюз пръв разработва робот специално за аварията в Чернобил.

Mobot-ChHV е доставен на площадката още през август 1986 г. и успешно почиства покрива. Той е оборудван с електромеханични задвижващи механизми, но няма бордова електроника. През следващите години са разработени множество роботи, които изпълняват разнообразие от задачи в Чернобил. Сред тях са робот за видеоинспекция, пробиващ и сондиращ робот, робот за пречистване на въздуха и няколко робота за демонтажни дейности.

Друг пример за робот, проектиран за проучване на вътрешността на саркофага в Чернобил, е резултат от сътрудничество между САЩ и Съветския съюз. Този робот се нарича Pioneer и притежава много от характеристиките на успешното превозно средство Redzone Houdini. Pioneer използва изцяло електрическа платформа, а модулността на превозното средство позволява всеки модул да бъде транспортиран поотделно до работната зона. Роботът пренася система за отдалечено зрение, сонда за вземане на бетонни проби, манипулаторна ръка и набор от сензори.